黃開(kāi)智+陳野

摘 要： 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，體現(xiàn)物理學(xué)科的魅力，對(duì)物理概念的形成、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、理論的建立等方面起著重要的鋪墊作用，同時(shí)也可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，投入到自然科學(xué)研究的“啟蒙教育”.以“三個(gè)方法”和“五個(gè)原則”為依托，例析了如何突破中學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最優(yōu)化.

關(guān)鍵詞： 實(shí)驗(yàn)教學(xué)；三個(gè)方法；五個(gè)原則

1 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基本方法

鑒于物理實(shí)驗(yàn)是一種研究活動(dòng)，同時(shí)也是一種科學(xué)方法，它能夠創(chuàng)造最真實(shí)、最少受干擾，保證過(guò)程以純粹形態(tài)進(jìn)行的物理環(huán)境.因此，在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有豐富的科學(xué)方法因素存在，可以將其歸納為以下三類.

1.1 物理實(shí)驗(yàn)中的思維方法

物理實(shí)驗(yàn)中的思維方法主要有以下幾種[1]：（1）分析法.解決實(shí)驗(yàn)中的各種問(wèn)題，找出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象間的內(nèi)在聯(lián)系等，都要借助于定量與定性的分析.如探究向心力與哪些因素有關(guān)；（2）理想實(shí)驗(yàn)法.這種方法旨在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用邏輯推理對(duì)實(shí)際的物理過(guò)程進(jìn)行深入探索，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，進(jìn)而在思想中塑造理想的過(guò)程并對(duì)其進(jìn)行分析的方法.如牛頓第一定律的斜面實(shí)驗(yàn)就是典型的理想實(shí)驗(yàn)，再如黃開(kāi)智在《芻議從教材內(nèi)容到教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)》中的楞次定律的突破教學(xué)，也是典型的理想實(shí)驗(yàn)[2]；（3）物理模型法.作為一種常用的方法，它是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)物理事實(shí)進(jìn)行一種近似與抽象的描述，常見(jiàn)的物理模型有質(zhì)點(diǎn)模型、點(diǎn)電荷模型、電流元模型、理想氣體模型等.

1.2 物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)學(xué)方法

運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，可以對(duì)客觀規(guī)律作精練的概括.物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到以下幾種數(shù)學(xué)方法：（1）幾何圖形法.如運(yùn)動(dòng)學(xué)的速度—時(shí)間圖象、運(yùn)動(dòng)（或力）的合成與分解、振動(dòng)的圖象等；

（2）算術(shù)平均法.如測(cè)金屬絲的直徑、伏安法測(cè)電阻、測(cè)凸透鏡的焦距等；（3）函數(shù)關(guān)系法.如彈簧伸長(zhǎng)與外力的關(guān)系、溫度計(jì)的刻度、歸納歐姆定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式等；（4）表格法.如研究摩擦力與哪些因素有關(guān)系，相互作用力與平衡力之間的關(guān)系等.

1.3 物理實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)方法

1.3.1 平衡法

許多測(cè)量?jī)x器是根據(jù)平衡原理設(shè)計(jì)的.如天平、密度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)、溫度計(jì)等，一些物理實(shí)驗(yàn)如電橋測(cè)電阻，測(cè)定金屬的比熱等實(shí)驗(yàn)也都用到了平衡法.

1.3.2 補(bǔ)償法

實(shí)驗(yàn)中由于某些原因會(huì)使需要滿足的條件受到破壞，這時(shí)用某種手段對(duì)測(cè)量狀態(tài)所受影響加以彌補(bǔ)，可以得到較好的結(jié)果，這種方法叫做補(bǔ)償法.補(bǔ)償法可以提高實(shí)驗(yàn)的精度.如電壓補(bǔ)償法彌補(bǔ)因儀表的接入而引起的被測(cè)量支路電壓的變化，光程補(bǔ)償法是彌補(bǔ)光路中光程的不對(duì)稱影響.

1.3.3 比較法

通過(guò)比較一些物理現(xiàn)象或物理量，可以達(dá)到異中求同或同中求異的目的，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法稱為比較法.如天平、電橋等儀器都是依據(jù)比較原理制造的.

1.3.4 放大法.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有些物理量因太小而不能直接觀測(cè)時(shí)，就要借助于聲、光、電或疊加等方法，將其放大后再測(cè)量.例如，游標(biāo)卡尺、顯微鏡等儀器的設(shè)計(jì)就是基于“放大”的思想.物理實(shí)驗(yàn)中常用的放大方法主要有光放大、電放大、機(jī)械放大等幾種方法.

除以上幾種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之外[3]，在物理實(shí)驗(yàn)中常用的重要設(shè)計(jì)方法還有振動(dòng)法、駐波法、干涉法、衍射法及光譜法等.

2 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的原則

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于體現(xiàn)“探究”的本質(zhì)特征，要從注重知識(shí)學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練轉(zhuǎn)向注重學(xué)生的發(fā)展，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下基本原則.

2.1 科學(xué)性原則

科學(xué)性原則是最根本的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，指在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)有科學(xué)依據(jù)和正確的方式.

案例1 用音樂(lè)卡演示自由落體不受支持力[4]

為了說(shuō)明重物在自由下落過(guò)程中（即完全失重的物體）對(duì)支持面的壓力為零這種狀態(tài)，原教材設(shè)計(jì)了如圖1所示的方法進(jìn)行演示.

在一平底吊盤(pán)C上放一個(gè)不小于500g的重物P，把一張薄紙帶A的一端壓在重物和吊盤(pán)之間，紙帶應(yīng)當(dāng)盡量窄和不結(jié)實(shí)，要能在被壓的一端不脫出的條件下輕易地被拉斷.實(shí)驗(yàn)時(shí)，一只手把紙帶的另一端按牢在桌上，另一只手提著盤(pán)的吊線B.第一次用手提著盤(pán)和重物慢慢下降，則紙帶先被拉緊，接著就斷裂了，這是因?yàn)榧垘П恢匚飰褐囊欢舜嬖谥o摩擦力的作用.第二次換一張同樣的紙帶，仍像第一次那樣，一端壓在重物P下，另一端按牢在桌上，但是提吊線B的手突然放開(kāi)，使盤(pán)和重物同時(shí)自由下落，可以看到紙帶不但沒(méi)有被拉斷而且完好如初，這是因?yàn)樽杂上侣溥^(guò)程中重物不受盤(pán)的支持力，反作用力（即重物對(duì)盤(pán)的壓力）也就消失了，使靜摩擦力不復(fù)存在，因此紙帶可以無(wú)損地脫出.

這個(gè)小實(shí)驗(yàn)受到桌子高度和合適紙帶的限制，實(shí)際演示效果不好，即使紙帶瞬時(shí)完好抽出，自由落體的整個(gè)失重狀態(tài)過(guò)程不夠直觀，可做如下改進(jìn).

把重物P下面壓的紙帶A換成生日音樂(lè)卡片，外露發(fā)光二極管.卡上設(shè)置的開(kāi)關(guān)處于自然狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，二極管隨著音樂(lè)的伴奏同時(shí)發(fā)出炫目的光，當(dāng)有重物P放在它上面時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，音樂(lè)卡則“偃旗息鼓”.這樣卡的開(kāi)關(guān)直接受重物P的壓力控制.同時(shí)，在吊盤(pán)C正下方放一塊海綿用來(lái)接收和緩沖.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，用手提著盤(pán)的懸線B慢慢下降時(shí)，“風(fēng)平浪靜”，說(shuō)明重物P對(duì)音樂(lè)卡有壓力的作用.一旦松手，重物和盤(pán)一起做自由落體運(yùn)動(dòng)，音樂(lè)卡隨即響起來(lái)，這說(shuō)明重物對(duì)音樂(lè)卡沒(méi)有了壓力，沒(méi)有壓力觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，音樂(lè)卡就不會(huì)發(fā)出聲音，直到剛一接觸上海綿，這段時(shí)間內(nèi)音樂(lè)卡“無(wú)聲無(wú)息”，之后重物P又恢復(fù)了對(duì)音樂(lè)卡的壓力作用.通過(guò)音樂(lè)卡的聲音來(lái)說(shuō)明重物在下落過(guò)程中，對(duì)支持面壓力的變化情況，更形象地證明了重物自由下落即完全失重時(shí)對(duì)支持面的壓力為零.endprint

這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)設(shè)置得非常科學(xué)，體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）操作性強(qiáng).克服了桌子高度和合適紙帶的限制，變觀察紙帶的斷裂為音樂(lè)開(kāi)關(guān)的閉合，將支持力有無(wú)的判斷變成聽(tīng)覺(jué)上的監(jiān)測(cè).此外，該實(shí)驗(yàn)的材料也容易獲取，只需要給學(xué)生簡(jiǎn)單介紹耳熟能詳?shù)纳湛ㄆぷ髟?，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)與理解完全失重的概念.

（2）提升了課堂效率.通過(guò)簡(jiǎn)單的演示實(shí)驗(yàn)，將抽象的知識(shí)化為具體感官的體驗(yàn)，活躍課堂氣氛的同時(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了課堂效率.

（3）優(yōu)化了課堂結(jié)構(gòu).在學(xué)習(xí)超重失重概念時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，一方面可以驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，另一方面可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.在課堂結(jié)構(gòu)方面，將傳統(tǒng)的“以練鞏固新知課堂提升”為“以實(shí)踐質(zhì)疑新知”的高效課堂.

2.2 探究性原則

物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)體現(xiàn)探究的本質(zhì)特征.探究性原則要求：（1）所設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)中包含的物理規(guī)律常常隱藏在較深層次，需要學(xué)生去挖掘；（2）實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果之間往往存在較大的差距，需要學(xué)生去跨越；（3）解決問(wèn)題的方法和途徑一般也不太明確，需要學(xué)生通過(guò)嘗試錯(cuò)誤，提出假設(shè)并驗(yàn)證假設(shè)來(lái)尋找.

2.3 趣味性原則

趣味性原則就是要充分考慮到中學(xué)生的認(rèn)知水平和獵奇的心理特點(diǎn)，目的是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣.需要明確的是，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)是一項(xiàng)智力活動(dòng)，而智力活動(dòng)通常需要被一種情感的力量所激發(fā)，這種情感就是“興趣”，就是“喜愛(ài)”.有了趣味性，帶來(lái)的是高度的參與性，火熱實(shí)驗(yàn)場(chǎng)面，如此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)已成功了一半.

案例2

探究水果電池的特性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]

我們知道，用不同的水果可以制成各種各樣的水果電池.自制水果電池，是一件讓人十分心動(dòng)的事情.那么，在中學(xué)階段怎樣更好地發(fā)揮自制水果電池的教學(xué)功能呢？思路之一就是突出實(shí)驗(yàn)的探究性.

探究問(wèn)題： （1）水果電池有哪些特征？

（2）它的輸出電壓有多大？（3）它的內(nèi)阻有多大？（4）輸出電壓的大小與哪些因素有關(guān)系？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 我們可以通過(guò)自制水果電池，先來(lái)研究它的一些特性.例如，可以先在一個(gè)橘子的不同部位分別插上一塊銅片和一塊鋅片，做好一個(gè)橘子電池，用毫伏表測(cè)出該電池的開(kāi)路電壓，記下讀數(shù).然后再進(jìn)行下列制作與實(shí)驗(yàn)（注意觀察變化）.

（1）改變銅片和鋅片的距離，再用毫伏表測(cè)出其開(kāi)路電壓，記下讀數(shù)，測(cè)量出什么情況下開(kāi)路電壓較大？

（2）改變銅片和鋅片的正對(duì)面積，觀察什么情況下開(kāi)路電壓較大？

（3）保持銅片和鋅片的位置不變，用一根鐵絲將橘子內(nèi)心搗爛，使橘片中的汁水相互連通，測(cè)出開(kāi)路電壓，記下讀數(shù)，觀察有何變化？

（4）在水果中分別加入食鹽或食鹽水，測(cè)出其開(kāi)路電壓，記下讀數(shù)，觀察有何變化？將小燈泡接入橘子水果電池中，觀察小燈泡是否能發(fā)光？

（5）制作3–5個(gè)橘子電池，分別測(cè)出其各自的開(kāi)路電壓，再將它們串聯(lián)起來(lái)，測(cè)出串聯(lián)電池組的總電壓，觀察電壓有什么變化？

（6）用其他水果（如蘋(píng)果、菠蘿、檸檬等）做成水果電池，與橘子電池進(jìn)行比較分析與研究.

（7）試試看用蔬菜如土豆、黃瓜、西紅柿等，能不能做成電池？

該實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是一個(gè)課外實(shí)驗(yàn)，教學(xué)大綱對(duì)其不作要求，但在恒定電流章節(jié)，有著重要的實(shí)踐意義.從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，充分體現(xiàn)了探究性原則，“試一試”、“看一看”和“猜一猜”的思想無(wú)處不在.自然界本身就是一個(gè)天然的大實(shí)驗(yàn)室，教師應(yīng)該充分利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，在教學(xué)中設(shè)計(jì)出可以引起學(xué)生興趣的各種拓展實(shí)驗(yàn).既不是為了成績(jī)而實(shí)驗(yàn)，也不是為了教學(xué)要求而實(shí)驗(yàn)，有的只是“一探究竟”和變“可能如此”為“真的如此”的探究學(xué)習(xí).

2.4 主體性原則

物理實(shí)驗(yàn)課強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體參與.沒(méi)有學(xué)生的參與就失去了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義.現(xiàn)代教育理論認(rèn)為，學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo).學(xué)生的主體參與程度決定教學(xué)質(zhì)量.在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，教師應(yīng)做到引導(dǎo)學(xué)生建立正確的物理思維方法、幫助學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技能和引導(dǎo)學(xué)生提出深層次的問(wèn)題并加以討論，如此，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的探究興趣與欲望.[6]教師還應(yīng)做到在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中給學(xué)生留有充分時(shí)間和空間，讓學(xué)生敢于提出與眾不同的實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生積極參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，提高探究能力和創(chuàng)新能力.

2.5 社會(huì)性原則

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“合作學(xué)習(xí)”反映的就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的社會(huì)性原則.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要特別關(guān)注有效的合作與交流.合作與交流的內(nèi)容不僅可以是知識(shí)方面的，同時(shí)還涵蓋著科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度、情感價(jià)值觀的交流.教師要指導(dǎo)學(xué)生在小組內(nèi)部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)討論和論證，完成實(shí)驗(yàn)后，要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果的分享.有效的小組合作，是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的法寶，學(xué)生在做中學(xué)，在學(xué)中傾聽(tīng)，在傾聽(tīng)中成長(zhǎng).

案例3 驗(yàn)證向心力表達(dá)式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)教材所述，作圓周運(yùn)動(dòng)的物體所需要的向心力計(jì)算公式為F=m v2 r ，或者F=m 4π2 T2 r，為驗(yàn)證這個(gè)公式，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)測(cè)量向心力F、周期T和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r之間的關(guān)系，驗(yàn)證向心力計(jì)算公式F=m 4π2 T2 r的正確性.

實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)圖2所示的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)器材，讓橡膠塞B在釣魚(yú)線C拉力的作用下，在水平面做圓周運(yùn)動(dòng)，釣魚(yú)線穿過(guò)筆管A，另一端懸掛砝碼D，通過(guò)測(cè)量橡膠塞做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T和轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r，即可驗(yàn)證向心力計(jì)算公式.

實(shí)驗(yàn)器材

筆管，釣魚(yú)線，橡膠塞，膠帶，刻度尺，秒表，砝碼.

該實(shí)驗(yàn)無(wú)不體現(xiàn)著學(xué)生主體參與其中的主體性原則和強(qiáng)調(diào)合作學(xué)習(xí)的社會(huì)性原則.

首先，實(shí)驗(yàn)裝置的組裝.該實(shí)驗(yàn)的器材十分“親民化”，學(xué)生按照?qǐng)D2所示，很容易就組裝了實(shí)驗(yàn)器材.

其次，實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì).這也是該實(shí)驗(yàn)最為核心的環(huán)節(jié)，涉及到如何驗(yàn)證向心力的計(jì)算公式，出發(fā)點(diǎn)是什么，需要測(cè)量的物理量有哪些，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何處理等實(shí)際問(wèn)題.

再次是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取.譬如說(shuō)橡膠塞的運(yùn)動(dòng)周期可以通過(guò)記錄橡膠塞轉(zhuǎn)10圈所需時(shí)間來(lái)測(cè)量，這就需要小組合作了.還有如何保證橡膠塞的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑保持不變，這就需要借用膠帶在圖2所示的E位置做標(biāo)記.

最后是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和誤差分析.針對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)，學(xué)生組間合作，分享經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行作圖以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.

3 結(jié)束語(yǔ)

“三個(gè)方法”和“五個(gè)原則”僅僅是對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的粗淺認(rèn)識(shí)，需要指出的是所有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的終極目標(biāo)應(yīng)是實(shí)現(xiàn)從教師要求做實(shí)驗(yàn)向?qū)W生想做實(shí)驗(yàn)、需要做實(shí)驗(yàn)和樂(lè)于做實(shí)驗(yàn)等過(guò)程的轉(zhuǎn)變.要引導(dǎo)學(xué)生形成內(nèi)部動(dòng)機(jī)，需要有高超的實(shí)驗(yàn)教學(xué)藝術(shù).實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如同攻克城堡，必須要在銅墻鐵壁的城墻中撕開(kāi)一道口子，尋找切入點(diǎn)，如此慢慢擴(kuò)散，贏得最終的勝利.

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